JP6548796B1 - 電力変換システム、交通システム及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回生電力の有効活用を図ることができる電力変換システム、交通システム及び電力変換方法を提供する。【解決手段】電力変換システム１は、受電する交流電力の電圧を変換する整流器用変圧器１００と、交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する整流器４００と、整流器用変圧器１００と整流器４００との間に設けられて電圧を調整する電圧調整装置２００と、を備える。電圧調整装置２００は、インダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成され、整流器用変圧器１００が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システム、交通システム及び電力変換方法に関する。

電気鉄道などの交通システムにおける直流き電方式に用いる電力変換方式に関して幾つかの技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、超電導線のような極めて電気抵抗の小さなき電回路にも対応可能な整流器の電圧制御技術及び並列運転方式が記載されている。

特開２０１１−５１５５８号公報

直流き電における課題の１つとして、回生電力の有効活用が挙げられる。例えば、軌道上で回生車（回生制動を行う車両）と力行車（力行を行う車両）との間に変電所が接続されている場合、回生車における電圧が変電所の接続箇所における電圧よりも低いと、回生電力を力行車に流すことができない。この場合、回生車は機械制動等により制動力を確保することになり、回生電力を有効活用することができない。

本発明は、回生電力の有効活用を図ることができる電力変換システム、交通システム及び電力変換方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、電力変換システムは、受電する交流電力の電圧を変換する変圧器と、交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する整流器と、インダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成され、前記変圧器と前記整流器との間に設けられて、前記変圧器が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させる電圧調整装置と、を備える。

前記電圧調整装置は、リアクトルの鉄心に巻かれた制御巻線に流す直流電流量の変化に応じて鉄心内の磁束を変化させて前記インダクタンスを変化させるようにしてもよい。

本発明の第二の態様によれば、交通システムは、上記したいずれかの電力変換システムと、前記電力変換システムとの組み合わせでき電回路を構成する電力線及び帰線路と、前記電力変換システムからの電力を前記電力線から取得して前記軌道を走行する車両と、を備える。

本発明の第三の態様によれば、電力変換方法は、受電する交流電力の電圧を変圧器で変換し、インダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成され、前記変圧器と整流器との間に設けられた電圧調整装置で、前記変圧器が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させ、前記変圧器からの出力の交流電力の電圧を電圧調整装置で調整し、前記電圧調整装置からの出力の交流電力を前記整流器で直流電力に変換して負荷側へ出力することを含む。

本発明によれば、回生電力の有効活用を図ることができる。

本発明の実施形態に係る電力変換システムの機能構成を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。 本発明の実施形態の電圧調整装置における巻線の例を示す図である。 本発明の実施形態の電圧調整装置による整流器電圧降下の例を示すグラフである。 電力変換における本実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第一例を示す図である。 図５に示す構成による電圧降下の例を示すグラフである。 図５に示す構成の場合の、電車線における電圧分布の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る図２に示す構成の場合の、電車線における電圧分布の例を示す図である。 電力変換における本発明の実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第二例を示す図である。 電力変換における本発明の実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第三例を示す図である。 電力変換における本発明の実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第四例を示す図である。 電力変換における本発明の実施形態の電力変換システムとは異なる構成の第五例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換システムの動作のシミュレーション結果の第一例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る電力変換システムの動作のシミュレーション結果の第二例を示すグラフである。 リアクトルの鉄心の磁化特性の例を示すグラフである。 リアクトルの巻線を流れる電流とインダクタンスとの関係の例を示すグラフである。 リアクトルの巻線を流れる電流と電圧降下率との関係の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換システムの機能構成を示す概略ブロック図である。図１に示すように、電力変換システム１は、整流器用変圧器１００と、電圧調整装置２００と、制御装置３００と、整流器（ダイオード整流器）４００とを備える。

電力変換システム１は、変電所８００に設置されている。変電所８００は、電力変換システム１に加えて所内母線８１０と、変成器用遮断器８２０と、直流高速度遮断器８３０とを備える。
所内母線８１０は、第一電力経路Ｗ１１１によって商用電力系統７１０と接続されている。第一電力経路Ｗ１１１には、受電用遮断器（受電用開閉器）７２０と取引電力計（電力量計）７３０とが設けられている。整流器４００は、第五電力経路Ｗ１１５によって電車線９１０と接続されている。第五電力経路Ｗ１１５には直流高速度遮断器８３０が設けられている。また、整流器４００は、第六電力経路Ｗ１１６によってレール９２０と接続されている。

また、所内母線８１０と整流器用変圧器１００とが第二電力経路Ｗ１１２によって接続されており、第二電力経路Ｗ１１２には変成器用遮断器８２０が設けられている。整流器用変圧器１００と電圧調整装置２００とが第三電力経路Ｗ１１３によって接続されている。電圧調整装置２００と整流器４００とが第四電力経路Ｗ１１４によって接続されている。電圧調整装置２００と制御装置３００とが制御経路Ｗ１２１によって接続されている。
車両（電気車）９３０は電車の走行車両であり、電車線９１０とレール９２０とを含んで構成される軌道を走行する。

商用電力系統７１０は、電力会社の電力系統であり、例えば２２キロボルト（ｋＶ）三相交流電力など、特別高圧あるいは高圧の三相交流電力を送電する。商用電力系統７１０が送電する電力の一部が第一電力経路Ｗ１１１へ分流されて変電所８００へ供給される。
受電用遮断器７２０は、故障発生時等に商用電力系統７１０から変電所８００を遮断する。
取引電力計７３０は、商用電力系統７１０から変電所８００への供給電力に対する電力料金計算用に、供給電力量を測定する。

所内母線８１０は、商用電力系統７１０から供給を受けた電力を変電所８００所内の設備に分配する。例えば、所内母線８１０は、電力変換システム１の整流器用変圧器１００に加え、駅、信号通信設備及び機械室等が接続される高圧配電線に供される高配用変圧器や、変電所内の制御電源を供給する制御用変圧器など整流器用変圧器１００以外の変圧器へも電力を分配する。電力変換システム１への電力供給に関しては、所内母線８１０が商用電力系統７１０から受けた電力の一部が第二電力経路Ｗ１１２へ分流されて電力変換システム１の整流器用変圧器１００へ供給される。
以下では、所内母線が７キロボルトを超える電圧（例えば、２２キロボルト、３３キロボルト、６６キロボルト、または、７７キロボルト）である特別高圧母線である場合を例に説明する。あるいは、所内母線が７キロボルト以下の電圧（例えば、６．６キロボルト）である高圧母線として構成されていてもよい。
変成器用遮断器８２０は、故障発生時等に所内母線８１０から電力変換システム１を遮断する。
なお、変成器用遮断器８２０に加えて断路器が設けられて一組の開閉器として構成されていてもよい。

電力変換システム１は、所内母線８１０から供給される特別高圧三相交流電力を降圧及び整流し、得られた直流電力を第五電力経路Ｗ１１５経由にて電車線９１０へ供給する。直流高速度遮断器８３０は、故障発生時等に電車線９１０から電力変換システム１を遮断する。
電力変換システム１、第五電力経路Ｗ１１５、直流高速度遮断器８３０、電車線９１０、レール９２０、及び、第六電力経路Ｗ１１６の組合せは、き電回路を構成する。レール９２０を流れる帰線電流は、第六電力経路Ｗ１１６を経由して整流器４００へ戻る。

電力変換システム１内では、整流器用変圧器１００は、供給される特別高圧三相交流電力を降圧する。整流器用変圧器１００が降圧した電力は、第三電力経路Ｗ１１３を経由して電圧調整装置２００へ入力される。電圧調整装置２００は、入力された電力の電圧を制御装置３００の制御に従って調整して出力する。制御装置３００は、例えば電圧目標値と電圧測定値とのフィードバック制御にて電圧調整装置２００による電圧調整を制御する。電圧調整装置２００が電圧調整した電力は、第四電力経路Ｗ１１４を経由して整流器４００へ入力される。整流器４００は、入力された電力を整流し、得られた直流電力を、第五電力経路Ｗ１１５を経由して電車線９１０へ供給する。
制御経路Ｗ１２１は、制御装置３００から電圧調整装置２００への制御信号の伝達経路である。

なお、電力変換システム１と電車線９１０と軌道９０１と車両９３０との組み合わせは交通システムの例に該当する。この交通システムで、電力変換システム１と電車線９１０と軌道９０１との組み合わせでき電回路を構成し、車両９３０に電力を供給する。車両９３０は、電力変換システム１からの電力を軌道９０１と電車線９１０とから受電して軌道９０１（レール９２０上）を走行する。軌道９０１は、帰線路の例に該当する。

但し、電力変換システム１が電力を供給する交通システムは、帰線路として軌道９０１を用いるものに限定されない。軌道９０１とは別に帰線路が設けられていてもよい。
また、電力変換システム１が電力を供給する交通システムは、軌道９０１にレール９２０が設けられているものに限定されない。例えば、軌道９０１にガイドウェイが設けられていてもよい。この場合、ガイドウェイは、車両９３０の進行方向を誘導するものであればよく、特定の形態のものに限定されない。例えば、ガイドウェイが、車両９３０の走行領域の両側に設置された側壁として構成されていてもよい。

図２は、電力変換システム１の構成例を示す図である。
図２に示す例で、第二電力経路Ｗ１１２には、変成器用遮断器８２０に加えて断路器８２１が設けられている。変成器用遮断器８２０は、消弧機能を有しており、第二電力経路Ｗ１１２に通電している状態で第二電力経路Ｗ１１２を遮断する（回路を解放する）ことができる。一方、断路器８２１は消弧機能を有しておらず、第二電力経路Ｗ１１２に通電していない状態で接点を開放することで、第二電力経路Ｗ１１２を商用電力系統７１０から完全に分離するための、電路の区分装置である。

図２の例で、整流器用変圧器１００は特別高圧の一次巻線と整流器４００に適した高圧の二次巻線と三次巻線とを有する三相３巻線トランスを用いて構成されており、整流器用変圧器１００に入力される特別高圧三相交流電力を降圧するとともに六相交流電力（３０度位相の異なる二つの三相交流の組み合わせ）に変換する。
図２の例で、第三電力経路Ｗ１１３は、例えば２組の三相バスダクト（Bus Duct）及び２組の三相高圧ケーブルを用いて構成され、整流器用変圧器１００が出力する六相交流電力を電圧調整装置２００へ供給する。また、第三電力経路Ｗ１１３は制御装置３００へ分岐しており、整流器用変圧器１００が出力する電力の一部を制御装置３００へ供給する。

図２の例で、電圧調整装置２００は、鉄心に制御巻線と主巻線とが巻かれたリアクトルとして構成されている。以下、鉄心に制御巻線と主巻線とが巻かれたリアクトルを磁束制御型可変リアクトルと称する。磁束制御型可変リアクトルでは、制御巻線に直流電流が流れることでリアクトルの特性が変化する。特に、磁束制御型可変リアクトルでは、制御巻線に流れる電流に応じて漏れリアクタンスが変化し、出力電力における電圧降下の大きさが変化する。ここでいう電圧降下は、電流の増加に応じた出力電圧の減少である。

図３は、電圧調整装置２００における巻線の例を示す図である。
図３の例で、例えば鉄心２０１の周りに制御巻線２０２が巻かれ、さらにその周りに主巻線２０３が巻かれている。
制御巻線２０２に電流を流すことで漏れリアクタンスが変化し、出力電圧における電圧降下が変化する。
電力変換システム１が、三相ずつ２つの電圧調整装置２００を備えて六相交流に対応するようにしてもよい。あるいは、電力変換システム１が、六相に対応する１つの電圧調整装置２００を備えるようにしてもよい。

図４は、整流器４００の出力電力における電圧降下の例を示すグラフである。電圧調整装置２００の出力電力が電圧降下することで、整流器４００の出力電力も電圧降下する。
図４のグラフの横軸は整流器４００の出力電流を示す。縦軸は、整流器４００の出力電圧を示す。電流Ｉ１１は定格電流を示す。
線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、それぞれ整流器４００の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３それぞれの傾きが電圧降下を示している。制御巻線２０２を流れる電流が大きいほど、電圧降下が小さくなる。

図２の例で、制御装置３００は、ＡＣ／ＤＣコンバータを用いて構成され、整流器用変圧器１００から供給される交流電流（交流電力）を直流電流に変換し、電圧調整装置２００の制御巻線に流す電流として、制御経路Ｗ１２１を介して電圧調整装置２００へ流す。この電流は、制御装置３００が電圧調整装置２００を制御するための制御信号の例に該当する。制御装置３００が所内母線８１０または低圧の変電所所内電源等から電力を取得するよう構成してもよい。
制御装置３００は、出力する直流電流の大きさを調整可能である。制御装置３００は、例えば整流器４００からの出力電圧の測定値と電圧目標値との偏差に基づいて制御巻線に流す電流の大きさを調整することで、電力変換システム１の出力電圧をフィードバック制御する。

図２の例で、第四電力経路Ｗ１１４は、例えば第三電力経路Ｗ１１３と同様にバスダクトまたは高圧ケーブル等を用いて構成され、電圧調整装置２００が出力する六相交流電力を整流器４００へ供給する。
図２の例で、整流器４００は、ダイオードブリッジを用いた全波整流回路を用いて構成され、電圧調整装置２００から供給される六相交流電力を直流電力に変換して出力する。整流器４００では、六相交流電力をダイオードブリッジで整流することで交流１周期の間に１２個のリプル（Ripple）がある直流電力を得られる。このリプルを持った直流電力を平滑化することで、車両９３０にリプルの比較的小さい直流電流が供給される。
図１を参照して説明したように、第五電力経路Ｗ１１５は、整流器４００が出力する直流電流を電車線９１０へ供給する。第六電力経路Ｗ１１６は、レール９２０を流れる帰線電流を整流器４００へ戻す。変電所所内に置かれる不図示のフィルタ設備や、電車線９１０とレール９２０のインダクタンスと静電容量、車両９３０の入力リアクトルなどにより、このリプルが平滑化される。

ここで、電力変換システム１との比較のため、電力変換システム１とは異なる構成による電力変換について説明する。
図５は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第一例を示す図である。図５の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。

図５の例では、電圧調整装置２００及び制御装置３００が無く、整流器用変圧器１００と整流器４００とが直結されている点で図２の場合と異なる。かかる相違により、図５の例では電圧の調整は行われず、電車線９１０における電圧は、商用電力の供給状況、及び、負荷である車両９３０の状況等の条件によって定まる。
以下、図５の構成を有する変電所を変電所１００１と称する。変電所１００１の構成は直流電気鉄道用の変電所で現在最も一般的な構成である。

図６は、図５に示す構成による電圧降下の例を示すグラフである。図６のグラフの横軸は整流器４００からの出力電流を示す。縦軸は、整流器４００からの出力電圧を示す。
線Ｌ２１は、整流器４００からの出力電流と出力電圧との関係を示す。電流Ｉ１１は定格電流を示す。電圧Ｖ１１は定格電圧を示す。図５に示す構成では、定格電流出力時に出力電圧が定格電圧となる。この特性は所内母線８１０の電圧、整流器用変圧器１００の定格、電圧変動率、及び、タップで一意に決まり、動的に変化させることはできない。

図７は、図５に示す構成の場合の、電車線９１０における電圧分布の例を示す図である。
図７の例では、電車線９１０に電力を供給する３つの変電所１００１が配置されている。これらの変電所１００１に、符号１００１ａ、１００１ｂ及び１００１ｃを付して区別する。また、図７の例では、２つの車両９３０が示されている。これらの車両９３０に、符号９３０ａ及び９３０ｂを付して区別する。

また、図７では、電車線９１０における電圧分布及び電流分布がグラフで示されている。電圧分布のグラフの横軸は、電車線９１０及びレール９２０を含んで構成される軌道における位置を示す。縦軸は、電車線９１０における電圧を示す。電車線９１０における電圧をき電電圧と称する。電圧Ｖ１１は変電所１００１の整流器４００の出力電圧を示す。線Ｌ３１は、軌道における位置毎の電圧を示す。線Ｌ３２は、軌道における位置毎の電流を示す。
電流分布のグラフの横軸は、電車線９１０及びレール９２０を含んで構成される軌道における位置を示す。縦軸は、電車線９１０における電流を示す。電車線９１０における電流をき電電流と称する。

変電所１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃは異なる出力電流を電車線９１０に流しており、それぞれの整流器４００の出力電圧は異なるが、この違いは電車線９１０及びレール９２０での電圧降下に比べて十分小さい。そのため、電車線９１０に変電所１００１ａ、１００１ｂ、１００１ｃが接続している位置のいずれも同じ電圧Ｖ１１として図示している。
車両９３０ａは回生車であり、車両９３０ｂは力行車である。ここでいう回生車は、回生ブレーキにより制動を行っている車両９３０である。力行車は、力行している車両９３０である。車両９３０ａは、回生電力を電車線９１０に放出している。これにより、車両９３０ａの位置で電車線９１０の電圧が上昇している。また、車両９３０ｂは電車線９１０から電力を取得しており、車両９３０ｂの位置で電車線９１０の電圧が低下している。

電流分布のグラフに示すように、車両９３０ａからの回生電流、変電所１００１ｂからの電流のいずれも、車両９３０ｂへ流れている。但し、車両９３０は回生時の出力電圧の上限値が定められているため、車両９３０ａの位置における電圧と変電所１００１ｂが接続している位置における電圧との差を一定以上大きくすることができず、車両９３０ａからの回生電流はあまり流れておらず、車両９３０ｂへの電流のほとんどは変電所１００１ｂから供給されている。
車両９３０ａから車両９３０ｂへ流れの回生電力の潮流量を向上させることが、回生電力の有効活用の観点から好ましい。

図８は、図２に示す構成の場合の、電車線９１０における電圧分布の例を示す図である。
図８の例では、電車線９１０に電力を供給する３つの変電所８００が配置されている。これらの変電所８００に、符号８００ａ、８００ｂ及び８００ｃを付して区別する。また、図７に示される２つの車両９３０に、図７の場合と同じく符号９３０ａ及び９３０ｂを付して区別する。図７の場合と同じく、車両９３０ａは回生車であり、車両９３０ｂは力行車である。

また、図８でも、図７の場合と同様、電車線９１０における電圧分布及び電流分布がグラフで示されている。グラフの横軸及び縦軸は、図７の場合と同様である。線Ｌ４１は、軌道における位置毎の電圧を示す。線Ｌ４２は、軌道における位置毎の電流を示す。
電車線９１０に変電所８００ａ、８００ｃが接続している位置の電圧は同じ値になっている。一方、図７の場合とは異なり、電車線９１０に変電所８００ｂが接続している位置の電圧は、これらよりも低くなっている。

この電圧分布は、図４に示される電圧降下率の制御によってもたらされる。変電所８００ａ及び８００ｃでは、制御装置３００は、例えば定格電圧を目標電圧値として電圧調整装置２００を制御する。これにより、変電所８００ａ及び８００ｃにおいて、整流器４００から、出力電流が一定以上の領域では定格電圧が出力される。

一方、変電所８００ｂでは、制御装置３００は、目標電圧値を変電所８００ａ及び８００ｃよりも低く設定して電圧調整装置２００を制御する。これにより、変電所８００ｂでは、整流器４００からは出力電流が一定以上の領域であれば定格電圧よりも低い電圧が出力される。

電流分布のグラフに示すように、車両９３０ａからの回生電流、変電所１００１ｂからの電流のいずれも、車両９３０ｂへ流れている。また、変電所８００ｂが接続している位置における電圧が定格電圧よりも低下していることで、車両９３０ａの位置における電圧と変電所８００ｂが接続している位置における電圧との差が図７の例の場合よりも大きくなっている。これにより、車両９３０ａから車両９３０ｂへ流れる回生電流は、図７の場合よりも多くなっている。この点で、図８の例では図７の場合よりも回生電力を有効活用できている。

例えば、制御装置３００が、運行管理システムや電力管理システム等を介して車両９３０の位置情報及び負荷情報を取得する。そして、制御装置３００は、図８の例のように回生車９３０ａと力行車９３０ｂとの位置関係から、制御装置３００自らを備える変電所８００が電車線９１０に接続している接続位置を跨いで回生電流を流す必要があるか否かを判定する。
制御装置３００自らを備える変電所８００の電車線９１０への接続位置を跨いで回生電流を流す必要がないと判定した場合、制御装置３００は、この接続位置の電圧が例えば定格電圧になるように制御することで、車両９３０を安定的に走行させる。
一方、制御装置３００自らを備える変電所８００の電車線９１０への接続位置を跨いで回生電流を流す必要があると判定した場合、制御装置３００は、この接続位置の電圧を下げるように制御することで、回生電流を流れやすくする。

変電所の出力電圧を制御するための構成は、図１及び図２に示す構成以外にも考えられる。ここで、図２に示す構成にて得られる効果を説明するために、他の構成及びその課題について説明する。
図９は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第二例を示す図である。図９の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。

図９の例では、所内母線８１０に対し、図５に示す構成と並列に、無効電力補償装置１０１２が設けられている。所内母線８１０と無効電力補償装置１０１２との間には、図５の構成と同様の変成器用遮断器８２０及び断路器８２１と、無効電力の大きさを制御するための開閉装置（例えば、半導体による双方向スイッチ、あるいは交流遮断器等で構成）１０１１とが設置されている。
無効電力補償装置１０１２が、所内母線８１０の無効電力を消費あるいは供給することで母線電圧を直接制御することができる。

図９に示す構成では、無効電力補償装置１０１２は、例えば２２キロボルトなど短絡容量の大きな特別高圧母線である所内母線８１０に設けられている。かかる特別高圧に対応した絶縁性能、さらに大きな短絡容量に適合した大型のリアクトルやコンデンサが必要で、無効電力補償装置１０１２が大型の装置となり、製造コスト及び設置スペースを要する。
一方、図２の構成では、電圧調整装置２００は、整流器用変圧器１００が降圧した高圧の電力の入力を受けるので、特別高圧の装置に比べ軽微な絶縁性能の装置とすることができる。また、整流器４００の容量に見合った必要最小限の容量で十分となる。これらの点で、電圧調整装置２００の製造コストを比較的安くすることができ、また、電圧調整装置２００の設置スペースが比較的小さくて済む。

図１０は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第三例を示す図である。図１０の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
図１０の例では、図５に示す構成に加えて、整流器用変圧器１００と変成器用遮断器８２０との間に負荷時タップチェンジャ１０２１が設けられている。負荷時タップチェンジャ１０２１は、整流器用変圧器１００が通電中でも動作可能であり、負荷時タップチェンジャ１０２１の動作により整流器用変圧器１００の変圧比を切り替えることで、整流器４００の出力電圧を段階的に制御することができる。

負荷時タップチェンジャは、一般に制御が低速（数秒オーダ）であり、電車の運行に合わせて電車線９１０への出力電圧を切り替える用途には適さない。また、負荷時タップチェンジャには２０万回程度の動作回数による寿命があるため、設備の期待寿命を３０年と想定すれば例えば１日１０回程度の切替に留めることが好ましい。この点でも、負荷時タップチェンジャを用いた図１０の構成は、電車の運行に合わせて電車線９１０への出力電圧を切り替える用途には適さない。さらに、負荷時タップチェンジャを適用する場合、整流器用変圧器１００をこれに適用可能な特殊仕様とする必要があり、負荷時タップチェンジャ１０２１自身も特別高圧の開閉器であるため大型となる。
これに対し、図２の構成では、電圧調整装置２００に流す制御電流を変えることで出力電圧を変えることができる。図２の構成では、機械的な切替を行う必要がない点で、高速かつ連続的な電圧調整が可能であり、また、半導体電力変換を用いるため電圧調整回数の制約がない。また、電圧調整装置２００は、汎用の整流器用変圧器を適用可能であり、追加的な特別高圧設備も不要であるため、全体の機器体格が比較的小さく済む。

図１１は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第四例を示す図である。図１１の構成の各部のうち、図２の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、４００、７１０、８２０、８２１）を付して説明を省略する。
図１１の例では、図５に示す構成に加えて、所内母線８１０から見て図５の構成と並列に、整流器用変圧器１００及び自励式整流器（サイリスタ整流器等で構成）１０３１が設けられている。整流器用変圧器１００及び自励式整流器１０３１と所内母線８１０との間には、図５の構成と同様、変成器用遮断器８２０及び断路器８２１が設けられている。

整流器４００と自励式整流器１０３１の直流出力は直列に接続され、整流器４００の出力電圧と自励式整流器１０３１の出力電圧とが加算された電圧が、電車線９１０に供給される。
また、整流器４００及び自励式整流器１０３１の出力側には、バイパス断路器１０３２と、リアクトル１０３３と、平滑コンデンサ１０３４とが設けられている。サイリスタ整流器を用いる適用形態では、リアクトル１０３３と平滑コンデンサ１０３４は省略されることがある。
かかる構成にて、自励式整流器１０３１におけるサイリスタの点弧角制御、あるいは自励式素子のＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation Control、パルス幅変調制御）により電車線９１０への出力電圧を制御することができる。

図１１の構成では、整流器用変圧器１００が複数必要な点で、製造コストが高くなり、また、設置スペースが大きくなる。また、図１１の構成では、全負荷電流が補償回路素子に常時通電する点で、素子が大型化し、通電損失が大きくなる。さらに、電車線９１０での短絡故障時に流れる、最大５０キロアンペア（ｋＡ）程度の故障電流通電に見合った耐量を持つ大きな素子が必要となる。
これに対し、図２の構成では、整流器用変圧器１００が１つあればよく、この点で製造コストが安く、設置スペースが小さくて済む。また、図２の構成では、電車線９１０に接続される主回路には半導体素子は不要であり、可変リアクトル２００の制御巻線に接続された低圧回路に半導体素子が設けられるため、素子の大型化及び通電損失の増大を回避することができる。さらに、可変リアクトル２００では主巻線と制御巻線とが電磁的に直交し、電車線９１０での短絡電流通電の影響は制御巻線には現れないため、半導体素子の短絡耐量を小さくすることができる。

図１２は、電力変換における電力変換システム１とは異なる構成の第五例を示す図である。図１２の構成の各部のうち、図１１の構成の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１００、７１０、８２０、８２１、１０３１、１０３３、１０３４）を付して説明を省略する。
図１１の構成と比較すると、図１２の構成では整流器用変圧器１００及び整流器４００の系統が無く、整流器用変圧器１００及び自励式整流器１０３１の系統で電車線９１０に必要な全電力変換を行う。

図１２の構成では、整流器用変圧器１００が特殊仕様（図５の汎用品は適用できない）であり、また、自励式整流器１０３１では、必要な全電力変換に見合った大型の素子が必要であることから、製造コストが図５の構成と比べて桁違いに高い。また、発生する高調波が大きくなるため、フィルタ設備（リアクトル１０３３、平滑コンデンサ１０３４、および、追加的な補償装置）が大型となり、これも製造コスト上昇をもたらす要因となる。
これに対し、図２の構成では、整流器用変圧器１００は汎用品が適用可能であり、また、電車線９１０に接続される主回路ではスイッチングを行わないため、フィルタ設備は大幅に簡略化（条件により省略も可能）でき、製造コストを大幅に圧縮することができる。

以上のように、整流器用変圧器１００は、受電する交流電力の電圧を変換する。整流器４００は、交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する。図１の場合、力行を行う車両９３０が負荷の例に該当する。電圧調整装置２００は、整流器用変圧器１００と整流器４００との間に設けられて電圧を調整する。
これにより、電力変換システム１では、電力変換システム１からの出力電圧を制御することができる。この出力電圧の制御にて電力線における電圧分布を調整することで、図８を参照して説明したように、回生車からの回生電力を力行車に流れやすくすることができる。この点で、電力変換システム１によれば、回生電力の有効活用を図ることができる。
また、電力変換システム１によれば、電気抵抗による電車線設備および車両への供給電圧の低下を補償することができる。
また、電力変換システム１によれば、複数の変電所の間での電力消費量の分担率を制御することができる。

また、電圧調整装置２００はインダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成される。電圧調整装置２００は、整流器用変圧器１００が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させる。
電力変換システム１は、可変リアクトルを用いて出力電圧を制御することで、スイッチングによる電圧制御を行う必要がない。電力変換システム１では、大容量のスイッチング素子が不要であり、この点で製造コストが安く、また、電力のスイッチングによる高調波が生じない。
また、電力変換システム１によれば、整流器４００の電圧降下特性に縛られず電圧調整装置２００の定格範囲内の任意の直流電圧を直流き電回路に供給できる。

また、電圧調整装置２００は、リアクトルの鉄心に巻かれた制御巻線を流れる直流電流量の変化に応じて磁束を変化させてインダクタンスを変化させる。
電力変換システム１では、制御巻線を流れる電流量の制御にて出力電圧の変動率を制御することができ、例えばタップチェンジャなど機械的な仕組みによる電圧制御を行う必要がない。電力変換システム１では、機械的に電圧制御を行う場合よりも高速かつ連続的に電圧制御を行うことができる。例えば、電力変換システム１では、時定数１秒未満の高速で電圧制御を行うことができる。
また、電力変換システム１では、機械的に電圧制御を行う場合のような切替回数の制限は無い。

次に、図１３及び図１４を参照して、電力変換システム１の動作のシミュレーション結果について説明する。
図１３は、電力変換システム１の動作のシミュレーション結果の第一例を示すグラフである。図１３は、整流器４００の定格が７５０キロワット（ｋＷ）程度と比較的小容量の機器のシミュレーション結果を示している。図１３のグラフの横軸は電力変換システム１からの出力電流を示す。縦軸は電力変換システム１からの出力電圧を示す。

線Ｌ５１は、制御電流が０アンペア（Ａ）の場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ５２は、制御電流が５０アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ５３は、制御電流が１００アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。
図１３に示されるシミュレーション結果にて、制御電流に応じて電圧降下率（出力電流の変化に対する出力電圧の変化の割合）が変わることを確認できた。

図１４は、電力変換システム１の動作のシミュレーション結果の第二例を示すグラフである。図１４は、整流器４００の定格が６０００キロワット（ｋＷ）と現在用いられている整流器４００の中で最大級の容量の場合のシミュレーション結果を示している。図１４のグラフの横軸は電力変換システム１からの出力電流を示す。縦軸は電力変換システム１からの出力電圧を示す。
線Ｌ６１は、制御電流が０アンペア（Ａ）の場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ６２は、制御電流が５０アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ６３は、制御電流が１００アンペアの場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。線Ｌ６４は、電圧調整装置２００を設けず図５の構成のように整流器用変圧器１００と整流器４００とを直結した場合の出力電流と出力電圧との関係を示す。
図１４に示されるシミュレーション結果にて、６０００キロワットの定格に対しても制御電流に応じて電圧降下率が変わることを確認できた。

次に、図１５〜図１７を参照して、一般的なリアクトルの用法と電力変換システム１におけるリアクトルの用法との違いについて説明する。一般的なリアクトルの用法と、電力変換システム１におけるリアクトルの用法とを比較すると、特に、磁化特性の飽和領域に対する考え方が全く異なる。
図１５は、リアクトルの鉄心の磁化特性の例を示すグラフである。図１５のグラフの横軸は磁界の強さＨを示す。縦軸は、磁束密度Ｂを示す。図１５のグラフの線は、鉄心の磁気ヒステリシス曲線の例を示している。

図１５の領域Ａ１２は、鉄心の磁気の非飽和領域であり、ヒステリシスの磁化特性を示す。一方、領域Ａ１１及びＡ１３は、いずれも鉄心の磁気の飽和領域であり、この領域ではヒステリシスはほぼ見られない。
一般的なリアクトルの用法の場合、鉄損や騒音を低減するため非飽和領域での運転が原則であり、飽和領域は過負荷又は過電圧など異常状態の領域である。

図１６は、リアクトルの巻線を流れる電流とインダクタンスとの関係の例を示すグラフである。このグラフは電力変換システム１に限らず、広く一般の有鉄心リアクトルで成り立つ性質を示したものである。図１６のグラフの横軸は電流（電流値）を示す。縦軸は、インダクタンスを示す。領域Ａ２１は、非飽和領域に相当する。領域Ａ２２は、飽和領域に相当する。
線Ｌ７１は、巻線を流れる電流とインダクタンスとの関係を示している。非飽和領域に相当する領域Ａ２１では、電流に依存せず一定の値となる比較的大きいインダクタンスとなるのに対し、飽和領域に相当する領域Ａ２２では、電流が大きくなるのにつれてインダクタンスが低下する。領域Ａ２１では鉄心の磁化特性はヒステリシスを有する非線形特性であるが、ＨとＢの振幅の関係（電流と電圧の振幅の関係に相当）のみを評価すると、ほぼ線形の関係にあるため、この領域を線形領域と呼ぶこともある。
一般的なリアクトルの用法では、安定したインダクタンスの値が得られることが重要であり、インダクタンスが電流増加に応じて低下する飽和領域は、通常の使用範囲外の領域と捉えられる。
これに対し、電力変換システム１におけるリアクトルの用法では、出力電圧（リアクトルの両端電圧）の電圧降下の大きさが重要であり、インダクタンスの値そのものは重要ではない。

図１７は、図１６と同一のリアクトルに対して、リアクトルの巻線を流れる電流と電圧降下（誘導起電力）との関係の例を示すグラフである。図１７のグラフの横軸は電流（電流値）を示す。縦軸は、リアクトルの端子間に生じる電圧降下を示す。領域Ａ３１は、非飽和領域に相当し電流に比例する電圧降下が生じる線形領域である。領域Ａ３２は、飽和領域に相当する。
線Ｌ８１は、巻線を流れる電流と電圧降下との関係を示している。

飽和領域に相当する領域Ａ３２では、電流の大きさにかかわらず一定の電圧降下が得られる。電力変換システム１では、軽負荷領域から重負荷領域までの幅広い負荷に対して安定した電圧制御幅を確保できることから、領域Ａ３１の非飽和領域を用いた電圧降下率の制御（図４に記載の概念）よりも、領域Ａ３２の飽和領域を用いた電圧降下そのものを制御する方がより適切である。
また、飽和領域では、電流によらずほぼ一定した電圧降下が得られるため、制御装置３００が故障などで停止した場合のリミッタ（問題が生じた整流器４００の出力電圧を自律的に降下させることによるフェイルセーフ）としての役割を期待することができる。
さらに、飽和領域で動作させることによって、図８の変電所８００ｂ（軽負荷）の電圧降下を大きくできるため、電力変換システム１の導入効果をさらに高めることができる。

このように、一般的なリアクトルの用法と電力変換システム１におけるリアクトルの用法とでは、飽和領域に対する考え方が全く異なる。一般的なリアクトルの方法では原則として飽和領域に入らないよう非飽和領域で運転を行う。これに対し、電力変換システム１では、飽和領域を積極的に利用し小電流領域を除き飽和領域で動作させる。リアクトルの動作領域の設計は、鉄心の断面積と巻線巻数の調整で容易に行うことができる。例えば、飽和領域を主体的に使うには磁気飽和しやすい条件で設計すれば良いから、一般的なリアクトルと比べて鉄心の断面積を小さくするか、巻線巻数を多くするかすれば良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更等も含まれる。例えば、本明細書で軌道と記載した部分を、ガイドウェイと独立の帰線路で構成するモノレールや新交通システムも本発明の適用範囲に含まれる。

１ 電力変換システム
１００ 整流器用変圧器
２００ 電圧調整装置
３００ 制御装置
４００ 整流器
７１０ 商用電力系統
７２０ 受電用遮断器
７３０ 取引電力計
８００ 変電所
８１０ 所内母線
８２０ 変成器用遮断器
８３０ 直流高速度遮断器
９１０ 電車線
９２０ レール
９３０ 車両

Claims (4)

1. 受電する交流電力の電圧を変換する変圧器と、
   交流電力を直流電力に変換して負荷側へ出力する整流器と、
   インダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成され、前記変圧器と前記整流器との間に設けられて、前記変圧器が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させる電圧調整装置と、
   を備える電力変換システム。
2. 前記電圧調整装置は、リアクトルの鉄心に巻かれた制御巻線を流れる直流電流量の変化に応じて鉄心内の磁束を変化させて前記インダクタンスを変化させる、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換システムと、
   前記電力変換システムとの組み合わせでき電回路を構成する電車線と帰線路と、
   前記電力変換システムからの電力を前記電車線から取得して軌道を走行する車両と、
   を備える交通システム。
4. 受電する交流電力の電圧を変圧器で変換し、
   インダクタンスが可変な可変リアクトルを用いて構成され、前記変圧器と整流器との間に設けられた電圧調整装置で、前記変圧器が電圧を変換した交流電力の電圧降下率を変化させ、
   前記電圧調整装置からの出力の交流電力を前記整流器で直流電力に変換して負荷側へ出力する
   ことを含む電力変換方法。

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